直流調(diào)速系統(tǒng)

1、直流調(diào)速系統(tǒng)第 2 章內(nèi)容提要內(nèi)容提要n直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法n直流調(diào)速電源直流調(diào)速電源n直流調(diào)速控制直流調(diào)速控制q 引引 言言 運動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的是運動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的是自動調(diào)速系統(tǒng)；自動調(diào)速系統(tǒng)； 在自動調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用歷史最長、在自動調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用歷史最長、在理論和實踐上都比較成熟的是直流在理論和實踐上都比較成熟的是直流調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)。q 引引 言言 直流電動機具有良好的起、制動性能，直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用

2、。廣泛的應(yīng)用。 由于直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上由于直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，我們先又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，我們先著重討論直流調(diào)速系統(tǒng)。著重討論直流調(diào)速系統(tǒng)。2.1 直流電動機的調(diào)速性能直流電動機的調(diào)速性能 和直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方案和直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方案2.1.1 2.1.1 直流電動機的調(diào)速性能和方法直流電動機的調(diào)速性能和方法2.1.2 2.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源2.1.1 直流電動機的調(diào)速性能和方法直流電動機的調(diào)速性能和方法直流電動機的物

3、理模型直流電動機的物理模型電樞繞電樞繞組組勵磁繞勵磁繞組組定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子NSNSnTe直流電機的物理模型圖解釋直流電機的物理模型圖解釋 直流電動機接線圖直流電動機接線圖電樞電勢電樞電勢 n PNEa- nCen 60a n式中：nEa直流電機的電樞電勢（V）p極對數(shù) a支路對數(shù)N電樞總導(dǎo)體數(shù) n轉(zhuǎn)速，（r/min）每極磁通，（Wb）Ce 與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 理解理解n 無論直流電機的電樞繞組的支路數(shù)是多少,直流電機的電刷間的直流電樞電勢總是和某一支路的電勢相等。它的理解方法可以與這個物理公式相比較：其中電勢Ea 對應(yīng)于 e ，對應(yīng)于B；電勢常數(shù)Ce 對應(yīng)于l；轉(zhuǎn)速 n 對應(yīng)于線速度 v

4、。因為直流發(fā)電機或電動機運行時均存在磁場和導(dǎo)體切割磁力線的情況。 直流電動機的電勢平衡方程式直流電動機的電勢平衡方程式 nU Ea IaRa 2Us n式中 nRa表示電樞繞組電阻 ，Ea為電樞電勢，U 表示負(fù)載或電網(wǎng)上的電壓值。 Us為電刷壓降，因為電機運行時，電刷處為滑動接觸，其壓降基本為常數(shù)，視其材料而定， 通常忽略。直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩及其平衡方程式直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩及其平衡方程式 n P NT - IaCTIa 2a n式中：nEa直流電機的電樞電勢（V）p極對數(shù) a支路對數(shù)N電樞總導(dǎo)體數(shù) n轉(zhuǎn)速，（r/min）每極磁通，（Wb）Ce 與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速方程根據(jù)直

5、流電機轉(zhuǎn)速方程 aeUI RnKnUIaRKe式中式中 轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速（r/min）；）； 電樞電壓（電樞電壓（V）；）； 電樞電流（電樞電流（A）；）； 電樞回路總電阻（電樞回路總電阻（ ）；）； 勵磁磁通（勵磁磁通（Wb）；）； 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)常數(shù)。取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩2.1.1 直流電動機的調(diào)速性能和方法直流電動機的調(diào)速性能和方法 由上式可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)由上式可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速：電動機的轉(zhuǎn)速： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （2）減弱勵磁磁通）減弱勵磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R。

6、（1）調(diào)壓調(diào)速）調(diào)壓調(diào)速n工作條件：工作條件： 保持勵磁保持勵磁 = N ； 保持電阻保持電阻 R = Ran調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 改變電壓改變電壓 UN U U n ， n0 n調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移。曲線平行下移。nn0OIaILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線調(diào)壓調(diào)速特性曲線n0理想空載轉(zhuǎn)速理想空載轉(zhuǎn)速（2）調(diào)阻調(diào)速）調(diào)阻調(diào)速n工作條件：工作條件： 保持勵磁保持勵磁 = N ； 保持電壓保持電壓 U =UN ；n調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 增加電阻增加電阻 Ra R R n ，n0不變；不變；n調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降

7、，機械特性轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。曲線變軟。nn0OIaILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線調(diào)阻調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速）調(diào)磁調(diào)速n工作條件：工作條件： 保持電壓保持電壓 U =UN ； 保持電阻保持電阻 R = R a ；n調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 減小勵磁減小勵磁 N n ， n0 n調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機械特性轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線調(diào)磁調(diào)速特性曲線 三種調(diào)速方法的性能與比較三種調(diào)速方法的性能與比較 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說

8、，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以以調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速為主。為主。2.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)

9、電樞電壓需要有系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源（功率專門向電動機供電的可控直流電源（功率驅(qū)動裝置）。驅(qū)動裝置）?？刂破骺刂破鞴β黍?qū)動裝置功率驅(qū)動裝置生產(chǎn)機械生產(chǎn)機械電動機電動機給定給定電網(wǎng)電網(wǎng)常用的可控直流電源有以下三種常用的可控直流電源有以下三種n旋轉(zhuǎn)變流機組旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。n靜止式可控整流器靜止式可控整流器用靜止式的可控整用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。n直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒

10、定用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。生可變的平均電壓。1 旋轉(zhuǎn)變流機組旋轉(zhuǎn)變流機組圖圖2.2 旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） G-M系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 由原動機（柴油機、交流異步或同步由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發(fā)電機電動機）拖動直流發(fā)電機 G 實現(xiàn)變流，實現(xiàn)變流，由由 G 給需要調(diào)速的直流電動機給需要調(diào)速的直流電動機 M 供電，供電，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)G 的勵磁電流的勵磁電流 if 即可改變其

11、輸出電即可改變其輸出電壓壓 U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 n 。 這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)，國際系統(tǒng)，國際上通稱上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。系統(tǒng)。 G-M系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性nOTeTL-TLn0n1n2圖圖2.3 G-M系統(tǒng)的機械特性系統(tǒng)的機械特性 G-M系統(tǒng)在系統(tǒng)在20世紀(jì)世紀(jì)60年代以前曾被年代以前曾被廣泛使用，但該系統(tǒng)至少包含兩臺與調(diào)廣泛使用，但該系統(tǒng)至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一速電動機容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，因此系統(tǒng)設(shè)備多、體積臺勵磁發(fā)電機，因此系統(tǒng)設(shè)備多、體積大、費用高、效率低，安裝需打地基，大、費用

12、高、效率低，安裝需打地基，運行有噪聲，維護不方便。為克服這些運行有噪聲，維護不方便。為克服這些缺點，在缺點，在20世紀(jì)世紀(jì)60年代后開始采用靜止年代后開始采用靜止式的變壓或變流裝置。式的變壓或變流裝置。 G-M系統(tǒng)應(yīng)用情況系統(tǒng)應(yīng)用情況2 靜止式可控整流器靜止式可控整流器圖圖2.4 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） GU 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管（可控硅），是一種大功率半導(dǎo)體器件晶閘管（可控硅），是一種大功率半導(dǎo)體器件。優(yōu)點：優(yōu)點：體積小、重量輕、耐壓高、容量大、響應(yīng)體積小、重量輕、耐壓高、容量大、響應(yīng)速度快、控

13、制靈活、壽命長、使用維護方便。速度快、控制靈活、壽命長、使用維護方便。缺點：缺點：處于斷續(xù)的非線性周期工作狀態(tài)，產(chǎn)生的處于斷續(xù)的非線性周期工作狀態(tài)，產(chǎn)生的大量諧波會對電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響，造成干擾；過大量諧波會對電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響，造成干擾；過載能力和抗干擾性能較差，控制電路復(fù)雜。載能力和抗干擾性能較差，控制電路復(fù)雜。 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理導(dǎo)通條件：導(dǎo)通條件：在陽極和陰極之間加正在陽極和陰極之間加正向電壓向電壓Uak；在控制極和陰極之間加；在控制極和陰極之間加正向控制電壓正向控制電壓Ugk。kagk：陰極：陰極a：陽極：陽極g：控制極：控制極Uak 0， Ugk 導(dǎo)通（幾導(dǎo)通

14、（幾微秒內(nèi)微秒內(nèi)）關(guān)斷條件：關(guān)斷條件：一旦導(dǎo)通，且一旦導(dǎo)通，且Uak始終大始終大于于0，則控制電壓不再起作用，直到，則控制電壓不再起作用，直到Uak 0，晶閘管才轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)。，晶閘管才轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)。 由晶閘管組成的可控整流電路舉例由晶閘管組成的可控整流電路舉例udRL+T1T2D1D2UG1UG2u2u1_u20 t不可控橋式整流電路+_+_單向半控橋式整流電路idud0 tidud0 tidUG10 tUG22：控制角：導(dǎo)通角當(dāng) 時 ：全導(dǎo)通0, 由晶閘管組成的可控整流電路舉例由晶閘管組成的可控整流電路舉例可控整流：可控整流：通過改變觸發(fā)脈沖的移相使通過改變觸發(fā)脈沖的移相使 角改變，角改變

15、，從而使導(dǎo)通角從而使導(dǎo)通角 發(fā)生變化，來控制輸出直流平均電發(fā)生變化，來控制輸出直流平均電壓的大小。壓的大小。輸出直流電壓平均值：輸出直流電壓平均值：dAV22011cos2sin( t)0.92Uuu2 靜止式可控整流器靜止式可控整流器圖圖2.4 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） GU V-M系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 晶閘管晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)）系統(tǒng)）圖中圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置觸發(fā)裝置 GT 的

16、控制電壓的控制電壓 Uc 來移動觸發(fā)來移動觸發(fā)脈沖脈沖UG的相位，即可改變整流電壓的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。 V-M系統(tǒng)的特點系統(tǒng)的特點 與與G-M系統(tǒng)相比較：系統(tǒng)相比較：n晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 4 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放制，不再像直流發(fā)電機那

17、樣需要較大功率的放大器。大器。n在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。動態(tài)性能。 V-M系統(tǒng)的問題系統(tǒng)的問題n由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。nnnTeTeTea 單象限運行單象限運行b 二象限運行二象限運行c 四象限運行四象限運行半控整流電路全控整流電路正反兩組全控整流電路 V-M系統(tǒng)的問題系統(tǒng)的問題n晶閘管對過電壓、過電流和過高的晶閘管對過電壓、過電流和過高的dV/dt與與di/dt 都十分敏感，若超過允許都十分敏感，若超過

18、允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件，因此必值會在很短的時間內(nèi)損壞器件，因此必須有可靠的保護電路和符合要求的散熱須有可靠的保護電路和符合要求的散熱條件，而且在選擇器件時還應(yīng)留有適當(dāng)條件，而且在選擇器件時還應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?。的余量?V-M系統(tǒng)的問題系統(tǒng)的問題n由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力電力公害公害” ” （當(dāng)系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，即（當(dāng)系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低轉(zhuǎn)速運行時，晶閘管的導(dǎo)通角很在較低轉(zhuǎn)速運行時，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧

19、波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變）變） 。3 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機車、工礦電力機在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過復(fù)勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。a a）原理圖）原理圖b b）電壓波形圖）電壓波形圖tOuUsUdTt

20、on控制電路控制電路M直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖2.5 直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 斬波器的基本控制原理斬波器的基本控制原理 在原理圖中，在原理圖中，VT VT 表示電力電子開關(guān)表示電力電子開關(guān)器件，器件，VD VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng)表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT VT 導(dǎo)通導(dǎo)通時，直流電源電壓時，直流電源電壓 U Us s 加到電動機上；當(dāng)加到電動機上；當(dāng)VT VT 關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng)機電樞經(jīng) VD VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，好像是電源電壓如此反復(fù)，好像是電源電壓U Us s在

21、在t ton on 時間時間內(nèi)被接上，又在內(nèi)被接上，又在 T T t tonon 時間內(nèi)被斬斷，時間內(nèi)被斬斷，故稱故稱“斬波斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為這樣，電動機得到的平均電壓為 輸出電壓計算輸出電壓計算ssondUUTtU式中式中 T 晶閘管的開關(guān)周期；晶閘管的開關(guān)周期； ton 開通時間；開通時間； 占空比占空比， = ton / T = ton f ；其中其中 f 為開關(guān)頻率。為開關(guān)頻率。 為了節(jié)能，并實行無觸點控制，現(xiàn)為了節(jié)能，并實行無觸點控制，現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、在多用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)(GTO)、絕緣柵極雙極、絕緣柵極雙極型晶體管型晶體管(IGBT)(IGBT)等。等。 采用簡單的單管控制時，稱作采用簡單的單管控制時，稱作直流直流斬波器斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，度調(diào)制開關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器脈寬調(diào)制變換器（PWM-Pulse Width Modul